不同烘烤方式对烤烟香气成分与品质的影响

孔芳芳，王玉华，别瑞，王先伟，臧传江，徐刚，邱军，曹建敏

（1．中国农业科学院烟草研究所，山东 青岛 266101；2．中国农业科学院研究生院，北京 100081；3．山东潍坊烟草有限公司，山东 潍坊 261205）

香气是衡量烟叶品质的核心内容之一［1］。烟叶香气受品种［2］、生态环境［3］、栽培措施［4］和调制工艺［5］等多方面因素影响，其中烟叶调制是保障其香气品质充分彰显的关键环节［6，7］，也是用工数量最多的环节，涉及到从采收到烘烤多个不同工序。近几年，在国家“减工降本、提质增效”背景下，密集烤房凭借装烟量大、节能省工、适应烟叶规模化种植等优势，在我国得到飞速发展［7］。

国内许多学者开展的密集烤房装烟方式，如挂竿、烟夹、散叶插扦、包式固定堆积等对烟叶质量及经济效益影响的研究［8-10］，一定程度上对减少用工数量、提升烤后烟叶品质和经济效益提供了技术参考，但其机械化水平仍然较低，在装烟量上也没有发生质的变化，密集烤房的最大效能没有充分发挥出来。箱式烘烤采用机械化的箱式散叶装烟方式，装烟量约为常规挂竿烘烤的1．5～2．0倍，能够切实提高装烟密度［11］。它利用活动烟箱及其配套设施，使烟叶采收后直接机械装箱，可大大提高工作效率［12］，代表了我国未来装烟技术发展的大趋势［13，14］。目前对箱式烘烤的研究多关注于用工成本、经济效益、外观质量和常规化学成分分析等方面［15，16］，而关于箱式烘烤对烤烟香气品质的影响，以及箱式烘烤烤房内部不同位置烟叶香气物质特点的研究鲜有报道。为此，本试验以潍坊烟区NC55和中烟100两品种的中部叶为材料，采用多元变量统计手段系统分析箱式烘烤与常规挂竿烘烤两种方式下挥发性香气成分的差异，以明确箱式烘烤下山东烟叶香气物质含量特点，为其配套烘烤工艺的优化和完善提供依据，推进箱式烘烤技术在山东烟区的推广应用。

1 材料与方法

1．1 试验材料

供试材料为2020年采收于山东省潍坊烟区的NC55和中烟100的中部叶。

1．2 设备

主要设备：7890A/5975C气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent公司）、ZZ-SPME-t固相微萃取加热台（青岛贞正分析有限公司）、FA2004电子天平（感量：0．1 mg，上海精密科学仪器有限公司）、箭型固相微萃取进样器及SPME arrow萃取头（萃取头DVB/CWR 120μm×20 mm，瑞士CTC分析仪器有限公司）。

1．3 烘烤试验设计与方法

试验于2020年8月在山东省诸城市郑家坡烘烤工场进行，设挂竿烘烤和箱式烘烤两种方式。挂竿烘烤每个品种各设置3个烤房，每竿编烟180片，共编3竿，置于烤房中部烘烤。箱式烘烤采用散叶装烟，装烟箱规格为2．60 m×0．78 m×1．70 m，即采收烟叶机械装烟插钎固定后，用叉车运入烤房，每个烤房放置10个烟箱，每个品种设置3个烤房；同时为了考察不同烘烤位置对烤后烟叶的影响，根据烘烤位置与加热室的距离设置近、中、远3个处理，分别对应烤房中第1、5、9号烟箱，每个处理烘烤烟叶200片，做好标记后散乱平铺于烟箱中。

两种烘烤方式均按当地常用烘烤工艺进行。为保证样品的代表性，各处理烤后烟叶卸炉后随机抽取30片作为1个重复样品，每个处理共设6个重复。

1．4 香气成分测定

烟叶非靶标香气物质检测采用HS-SPME arrow-GC/MS方法，具体见参考文献［17］。GC/MS分析后，各色谱峰经NIST、WILEY质谱检索，辅助正构烷烃保留指数确证，对烤后烟叶香气成分进行定性分析。以乙酸苯乙酯为内标，假定校正因子为1，采用相对峰面积（各组分特征离子峰面积与内标特征离子峰面积比值）计算香气成分的相对含量。设置质控（QC）样，用于监控整个试验过程。

1．5 数据处理与分析

对香气物质分类并用Duncan’s法在5%水平上进行多重比较，用SIMCA 14．1软件对香气物质进行主成分分析（PCA）、正交偏最小二乘法判别分析（OPLS-DA），采用SPSS 26．0软件进行t检验。

2 结果与分析

2．1 烤后烟叶香气成分分析

从表1可以看出，烤后烟叶共定性香气成分83种。NC55和中烟100在两种烘烤方式下烟叶各类香气物质的变化规律不尽一致。从NC55看，挂竿处理与箱式烘烤近加热室位置烟叶，除质体色素降解产物挂竿烘烤显著高外，其它香气成分含量差异不显著。箱式烘烤中，近加热室位置烟叶的大多数香气成分含量相对较高，中间和远加热室位置烟叶的香气成分含量无显著差异，较近加热室位置两者烟叶的质体色素降解产物、美拉德反应产物、苯丙氨酸和木质素转化产物、新植二烯含量及香气成分总含量显著降低。这说明现有箱式烘烤配套硬件设施和烘烤工艺对NC55烟叶的香气质量影响较大，还需做进一步调整。

与NC55不同，中烟100箱式烘烤近加热室位置烟叶的质体色素降解产物、脂类代谢转化产物及香气成分总含量较挂竿烘烤有显著提高，其它香气成分含量差异不显著。与近加热室位置相比，烤房中间和远加热室位置的质体色素代谢产物、苯丙氨酸和木质素转化产物、脂类代谢转化产物含量显著降低，远加热室位置的美拉德反应产物和新植二烯含量显著降低。这说明中烟100现有箱式烘烤配套工艺相对较完善，但一定程度上也存在烤房内温湿度不均衡问题。

不同处理两个品种烟叶的西柏烷类降解产物含量均无显著变化，说明烘烤方式和烘烤位置对西柏烷类降解产物影响不大。

表1 NC55和中烟100的香气成分 （ng/g）

2．2 香气成分的PCA分析

烟叶的香气成分组成极其复杂，每一类香气物质都包含多种组分，为筛选不同烘烤模式下的差异组分，进一步采用多元变量统计对获取的不同处理下烟叶香气成分数据进行挖掘和解析。将NC55和中烟100挥发性香气成分数据导入SIMCA 14．1软件，其变量经UV-scaling标准化处理后，采用非监督模式识别方法（PCA）观察各样本的总体分布情况，结果（图1）看出：QC样本紧密聚集，表明试验过程中前处理方法和仪器状态稳定，对试验结果影响较小；NC55样本主要分布在第一、二象限，中烟100样本主要分布在第三、四象限，说明两个品种间香气成分差异较大。

注：图中GG表示挂竿烘烤，XS表示箱式烘烤，下同。

为避免品种间香气成分差异导致的误差，将NC55和中烟100分别进行PCA分析，结果（图2）看出，NC55挂竿烘烤样本主要分布在第四象限，箱式烘烤样本主要分布在第一、二、三象限；中烟100挂竿烘烤样本主要分布在第三象限，箱式烘烤样本主要分布在第一、二、四象限。两个品种的挂竿烘烤样本和箱式烘烤样本均可有效分离，说明两种烘烤方式烟叶的香气成分存在一定的差异；箱式烘烤不同位置三组样本的分布相对分散，未完全分离，但存在一定的区域聚集性。

图2 NC55（左）和中烟100（右）挥发性香气成分PCA得分情况

2．3 不同烘烤方式烟叶挥发性香气成分的OPLSDA分析

为了降低组内样本差异对统计结果的干扰，突出组间样本的差异，采用有监督的模式识别方法OPLS-DA进一步研究不同烘烤方式间烟叶香气成分的差异。为了排除位置影响，选择箱式烤房中间位置样品与挂竿烘烤样品（挂竿烘烤样品均放置在烤房中间位置）进行差异分析。结果（图3）可知，两个品种的两种烘烤方式样本聚类良好，显著分离。采用评价OPLS-DA模型质量的3个关键指标分析得出，NC55：R2X＝0．832，R2Y＝1，Q2＝0．923；中烟100：R2X＝0．898，R2Y＝1，Q2＝0．942（R2X越接近1说明模型能代表的样品信息越多，R2Y和Q2越接近1说明模型的稳定性和预测性越好）。这说明模型的稳定性和预测性较好。

图3 NC55（左）和中烟100（右）不同烘烤方式挥发性香气成分OPLS-DA得分情况

采用变量权重重要性（VIP）排序描述差异物质的贡献程度，结合t检验P值，对OPLS-DA模型中差异性较大的香气物质进行筛选。以VIP＞1．0、P＜0．05为标准，筛选对模型分类贡献较大的变量并按照香气成分前体物进行分类，结果见表2。差异倍数（fold change，FC）为箱式烘烤和挂竿烘烤烟叶香气成分相对含量的比值，FC值大于1说明箱式烘烤该香气成分含量较高，小于1则表明较低。NC55两种烘烤方式间共筛选出差异成分35种，包括质体色素降解产物24种、美拉德反应产物3种、苯丙氨酸和木质素转化产物3种、脂类代谢转化产物1种、其它类4种，箱式烘烤下大部分差异成分含量下降，只有两种差异成分含量增加。中烟100共筛选出差异成分25种，包括质体色素降解产物8种、美拉德反应产物5种、苯丙氨酸和木质素转化产物2种、脂类代谢转化产物5种、其它类5种，其中箱式烘烤高于挂竿烘烤的成分有14种，低于的11种。两个品种共有的差异物质12种，其中苯酚、3-甲基苯酚、喹啉和4种巨豆三烯酮异构体箱式烘烤下含量降低，脂类代谢转化产物反式-2，4-庚二烯醛箱式 烘烤下增加。

表2 NC55和中烟100不同烘烤方式下的差异挥发性香气成分

2．4 箱式烘烤不同位置烟叶挥发性香气成分的OPLS-DA分析

装烟密度及装烟方式在一定程度上可影响烤房内的热量分布和烟叶的脱水排湿进程。箱式烘烤采用散叶装烟，装烟密度大，烘烤过程中会存在烟叶温湿度环境及气流组织分布不均匀问题［18］，从而影响烟叶香气品质。采用OPLS-DA考察箱式烤房不同区域烟叶香气成分的差异。由得分图（图4）结合评价OPLS-DA模型质量的3个关键指标可知，NC55：R2X＝0．854，R2Y＝1，Q2＝0．593，说明NC55箱式烘烤3个位置的样本聚类良好，分离明显，且模型的稳定性和预测性较好，也说明不同位置NC55样本的香气成分存在明显差异；中 烟100：R2X ＝0．569，R2Y ＝1，Q2＝0．488，说明中烟100不同位置样本聚类效果较NC55差，也说明中烟100箱式烘烤不同位置样本的香气成分也存在一定的差异，但差异较NC55小。

为了直观地观察不同烘烤位置间烟叶香气物质的差异，采用OPLS-DA载荷图显示3个位置样本间的物质差异。载荷图中SM1．DA（1）、（2）、（3）分别与3个不同位置样本在OPLS-DA得分图上的位置相对应，载荷图上每一个点代表1种香气成分，与样本距离越近，表示该成分在该样本中的含量越高。由图5可以看出，两个品种均表现为大部分香气物质聚集在SM1．DA（1）点附近，说明近加热室附近样本的香气物质含量最高，中间位置和远加热室位置相对偏低。

图4 NC55（左）和中烟100（右）不同位置挥发性香气成分OPLS-DA得分情况

图5 NC55（左）和中烟100（右）不同位置挥发性香气成分OPLS-DA载荷图

3 讨论

本研究中，从烤后烟叶香气成分含量分布来看，常规挂竿烘烤模式下NC55和中烟100存在较大差异，NC55各类香气物质含量均高于中烟100，这可能是不同基因型烟草品种表现出不同香气品质的重要原因。常规挂竿烘烤和箱式烘烤下，NC55和中烟100烤后烟叶香气成分含量的变化趋势也存在一定的差异，总体上看，现有箱式烘烤工艺更有利于中烟100香气物质的转化和积累，对NC55不利。中烟100近供热室位置烟叶质体色素降解产物和脂类代谢转化产物含量显著增加，烤房中部位置烟叶香气物质含量变化不大，而NC55箱式烘烤下香气物质含量降低，这可能由两个品种烘烤特性不同而造成。有研究表明，NC55中部叶叶绿素降解较中烟100中部叶稍慢，变黄特性较好，但前后失水不协调，失水特性不好，定色特性和烘烤特性一般；而中烟100中部叶叶绿素整体降解较快，变黄特性较好，前后失水协调性好，失水特性好，定色特性和烘烤特性好［19］。由此可见，相比中烟100，NC55对于烘烤工艺的要求更高。NC55是引自美国的品种，2009年开始在山东烟区试种，其常规挂竿烘烤工艺已经成熟，箱式烘烤配套工艺尚存在不足。中烟100由于其烘烤特性较好，现有箱式烘烤的三段式烘烤配套工艺已基本满足要求，近加热室位置烟叶香气品质较常规挂竿烘烤有了较大提升。

两种烘烤方式下，中烟100和NC55筛选到共有差异物质12种，包括7种质体色素降解产物，其中4种巨豆三烯酮异构体在箱式烘烤下含量均显著降低。巨豆三烯酮是烤烟中重要的中性香味成分［20］，属于类胡萝卜素中叶黄素的降解产物。烟叶烘烤过程中叶黄素含量呈下降趋势，且以变黄期下降最快，定色期下降缓慢，干筋期叶黄素含量基本稳定［21］。变黄期低温中湿变黄（干球温度36～38℃，相对湿度80% ～85%）对于充分降解类胡萝卜素物质和改善烟叶香气品质有利［22］。此外，李伟等［23］研究表明较高的装烟密度不利于巨豆三烯酮A、B、D三种异构体的生成。本研究中不同烘烤方式下烟叶巨豆三烯酮含量存在差异，挂竿烘烤由于排湿及时，湿度相对较小，可能更有利于叶黄素代谢和巨豆三烯酮的积累。

箱式烘烤时烘烤位置对两个品种烟叶香气成分的影响规律基本一致：随着与加热室距离的增加，大多数香气成分含量呈降低趋势，近加热室位置质体色素类降解产物、美拉德反应产物、新植二烯、苯丙氨酸和木质素转化产物含量最高，烤房中部和远加热室区域香气成分含量差异较小。烟叶烘烤过程中，烤房内温度分布的均匀性与烤后烟叶品质直接相关。温度是决定烟叶烘烤品质最关键的影响因素，也是烘烤工艺调控的最直接变量，而烤房内湿度高低直接影响烟叶失水过程的快慢，烤房内合理的温湿度组合可有效促进烟叶香气物质的形成和积累。研究表明，变黄期是烟叶香气前体物降解和转化的重要时期，适宜的温湿度环境能显著提高烟叶苯丙氨酸类降解产物、美拉德反应产物、类胡萝卜素降解产物、新植二烯的含量［5，22，24］。本研究中近加热室烟叶香气物质含量较高，原因可能是该区域温湿度较协调，物质转化分解更为充分。箱式烘烤装烟密度大，变黄前期烟叶含水量高，塌架不充分，烟叶间空隙未完全打开，使得气流在烤房内运动受阻，导致远离加热室位置风压相对偏小，无法有效穿透烟叶传递热量，变黄期烤房内水平温差可达到1．5～2．0℃，而较低温度下干物质无法充分分解为香气成分的前体物质；到定色期后，虽然温度上升，水平温差变小，但此时温湿度已不是干物质转化分解的最佳条件。推测可能是这些原因导致箱式烘烤烟叶香气物质在水平维度上存在较大差异。

4 结论

本研究对不同处理下NC55和中烟100烟叶香气成分的分析表明，烤后烟叶香气品质受品种烘烤特性的影响较大。箱式烘烤配套工艺下中烟100的香气品质较好，尤其是近供热室位置烤后烟叶香气品质大幅提升，但不利于NC55质体色素降解产物的积累。为充分发掘该品种高香气的潜力，NC55箱式烘烤配套工艺尚待进一步优化完善。箱式烘烤中，距离加热室的远近会影响烟叶香气物质含量：随着烟叶与加热室距离的增加，大多数香气成分含量呈降低趋势，近加热室位置香气成分含量最高，中部和远加热室区域香气成分含量差异不大。鉴于上述分析，可以通过优化烤房配套通风排湿系统来提升烤房内气流循环的均匀性，从而为烟叶烘烤营造更加适宜的环境条件，以达到提高箱式烘烤烟叶香气品质的目的。